CN117118614B - 相位编码qkd系统的相位漂移和相位误差在线修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光通信技术领域，公开了一种相位编码QKD系统的相位漂移和相位误差在线修正方法，包括以下步骤：分别扫描Alice端与Bob端的四个标准相位作为初值；双方分别随机调制四个标准相位，运行系统；双方进行基矢比对；在基矢比对时，如果基矢一致，那么保存双方密钥作为筛后密钥；如果基矢不一致，双方公开密钥并进行统计，得到平衡矩阵；根据统计的平衡矩阵计算相位漂移以及相位误差：根据相位漂移和相位误差修正Alice端和Bob端四个相位；使用修正后的相位继续运行系统。本发明通过统计基矢不一致的平衡矩阵实现了相位漂移和相位误差的实时修正，能够降低并稳定相位编码QKD系统的误码率，提高成码率，方法简单可靠，效率高，不干扰系统运行。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种相位编码QKD系统的相位漂移和相位误差在线修正方法。
背景技术
量子密钥分发（QKD）作为安全性极高且产业化程度较高的量子保密通信设备，应用越来越广泛。基于BB84协议的QKD系统常用编码方式有偏振编码和相位编码两种，偏振编码QKD由于光纤的双折射效应，光在光纤中传播时偏振态会随机发生变化，使得接收端对偏振态的探测容易出现错误；因此目前相位编码QKD更为常用。相位编码QKD系统中，相位漂移和相位误差会影响系统的整体性能，因此需要对相位误差和相位偏移进行跟踪补偿。
目前相位编码QKD系统中，针对相位漂移的跟踪和主动补偿方案主要有以下几种：
通过正常模式之间插入扫描模式来实时计算当前四个相位。其缺点在于扫描时间较长，降低系统效率；扫描模式需要提高光强来保证足够的计数，频繁切换工作模式会导致系统光路一直处于变化中，不利于系统的稳定性以及状态监测。
通过误码率的变化来补偿相位漂移。该方法简单直接，但是系统误码率来源多样，且存在涨落，该方案适用性不强，且无法校准相位误差。
在对基过程中统计基矢一致的探测计数，得到平衡矩阵，归一化后计算与理论值之间相位差，然后进行相位补偿。但该方法需要公开一部分基矢一致的探测结果，公开的部分太少，统计量不足，影响计算结果精度，公开的部分太多，影响系统成码率。
在对基过程中统统计基矢不一致的探测计数，形成平衡矩阵，然后根据平衡矩阵和误码率计算相位漂移值。该方法得出的相位偏移值仍需依赖误码率，且无法校准相位误差。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种相位编码QKD系统的相位漂移和相位误差在线修正方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种相位编码QKD系统的相位漂移和相位误差在线修正方法，包括以下步骤：
1）固定Bob端相位，扫描Alice端相位，根据探测器统计结果得到Alice端四个相位作为初始值；
2）固定Alice端相位为0，扫描Bob端相位，根据探测器计数结果得到Bob端四个相位作为初始值；
3）Alice端随机调制四个相位，Bob端随机调制四个相位，运行系统；
4）Alice端和Bob端的原始密钥进行基矢比对；
5）根据BB84协议，在基矢比对时，如果基矢一致，那么保存双方密钥作为筛后密钥；如果基矢不一致，丢弃双方密钥，双方公开基矢不一致的结果，统计得到如下平衡矩阵：
，，
其中表示Alice相位为/>，Bob相位为/>时对应的探测器计数，
计算相位漂移与相位误差/>和/>，并修正Alice端和Bob端的四个相位；
6）重复步骤3）至步骤5）。
优选地，步骤5）中，计算相位漂移与相位误差/>和/>具体如下：
根据平衡矩阵计算相位漂移与相位误差/>和/>，计算公式如下
，
相位漂移量：
，
Alice端相位误差量记为：
，
Bob端相位误差量记为：
，
以上计算结果单位均为弧度RAD。
优选地，步骤5）中，修正Alice端和Bob端的四个相位具体如下：
Alice端当前四相位为，那么修正后四相位/>为
，
Bob端当前四相位为，那么修正后四相位/>为
，
所述相位漂移量既可以在Alice端修正，也可以在Bob端修正。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明通过统计基矢不一致的平衡矩阵，实现了相位漂移和相位误差在线实时修正，本发明的实现方法简单可靠，不干扰系统正常运行，无需依赖系统误码率，无需公开基矢一致的密钥数据。本发明的实现方法可以有效降低并稳定相位编码QKD系统的误码率，提高成码率。
附图说明
图1为本发明相位编码QKD系统的相位漂移和相位误差在线修正方法的流程图；
图2为本发明相位编码BB84协议QKD系统的简化的相位调制实现示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种相位编码QKD系统的相位漂移和相位误差在线修正方法：
（1）在现有相位编码QKD系统中，通常采用相位调制器（Phase Modulator, PM）来调制光子相位。相位调制器通过电压来控制，电压与相位成线性关系。现有相位编码QKD系统，由于环境温度、振动等影响，会不断产生相位漂移，需要不断进行修正，保证系统运行正常。
（2）固定Bob端PM电压，扫描Alice端PM电压，通过探测结果，可以得到四个标准相位，对应的电压/>，半波电压为/>。由于扫描电压精度、扫描过程中的相位漂移以及探测器统计涨落等问题，这四个标准相位可能存在相位误差。
（3）固定Alice端PM电压为，扫描Bob端PM电压，通过探测结果，可以得到四个标准相位/>，对应的电压/>，半波电压为/>。由于扫描电压精度、扫描过程中的相位漂移以及探测器统计涨落等问题，这四个标准相位可能存在相位误差。
（4）如图2所示，根据BB84协议，QKD中发送端Alice随机选择四种相位中的一种对量子光进行相位调制，当光子到达接收端Bob时，接收端随机选择四种相位中的一种对其进行测量。光子被探测器探测到的概率为，理想情况下，光子被探测器探测到的概率的平衡矩阵如表所示。
，
（5）在实际的相位编码QKD系统中，由于前面提到相位漂移和相位误差，记Alice端半波相位误差为2m，记Bob端半波相位误差为2p，记系统相位漂移为r，那么Alice端实际四相位分别为，Bob端实际四相位分别为。这些误差将会导致平衡矩阵偏离理想情况。
系统相位漂移可以计算在Alice端，也可以计算在Bob端，这里以Bob端为例说明。
（6）根据BB84协议，双方在基矢比对过程中，如果基矢一致，那么保留密钥作为筛后密钥，双方不能公开密钥；如果基矢不一致，那么丢弃密钥，双方可以公开密钥。因此可以统计的探测平衡矩阵为如下8个计数。其中表示Alice相位为/>，Bob相位为/>时对应的探测器计数。
，
（6）根据探测平衡矩阵这8个计数，可以根据如下公式计算步骤（5）中m, p, r三个变量
计算步骤如下：
，
变量r对应相位漂移量，记为：
，
变量m对应Alice端相位误差量，记为 ：
，
变量p对应Bob端相位误差量，记为 ：
，
以上结果单位均为RAD。
（7）根据步骤（6）中的结果，可以得到Alice和Bob四个相位的相位补偿量。Alice端需要补偿的相位量分别为，Bob端需要补偿的相位量分别为。对于PM来说，如果相位补偿量为/>，那么对应的电压补偿量为/>，根据这个公式可以分别计算出Alice端和Bob端修正后的四个相位对应的电压值。这里仅以电压为例，如果相位由其他形式的物理量控制，补偿的原理类似。
（8）使用修正后的四个相位对应的电压值运行系统。
根据步骤（6）中，修正Alice端和Bob端的四个相位具体如下：
Alice端当前四相位为，那么修正后四相位/>为
，
Bob端当前四相位为，那么修正后四相位/>为
，
所述相位漂移量既可以在Alice端修正，也可以在Bob端修正。
综合本发明结构与原理可知，本发明通过统计基矢不一致的平衡矩阵，实现了相位漂移和相位误差在线实时修正，本发明的实现方法简单可靠，不干扰系统正常运行，无需依赖系统误码率，无需公开基矢一致的密钥数据。本发明的实现方法可以有效降低并稳定相位编码QKD系统的误码率，提高成码率。
Claims (1)
1.一种相位编码QKD系统的相位漂移和相位误差在线修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）固定Bob端相位，扫描Alice端相位，根据探测器统计结果得到Alice端四个相位作为初始值；
2）固定Alice端相位为0，扫描Bob端相位，根据探测器计数结果得到Bob端四个相位作为初始值；
3）根据BB84协议，QKD中发送端Alice随机选择四种相位中的一种对量子光进行相位调制，当光子到达接收端Bob时，接收端随机选择/>四种相位中的一种对其进行测量，运行系统；
4）Alice端和Bob端的原始密钥进行基矢比对；
5）根据BB84协议，在基矢比对时，如果基矢一致，那么保存双方密钥作为筛后密钥；如果基矢不一致，丢弃双方密钥，双方公开基矢不一致的结果，统计得到如下平衡矩阵：
，
其中表示Alice相位为/>，Bob相位为/>时对应的探测器计数，
计算相位漂移与相位误差/>和/>，并修正Alice端和Bob端的四个相位；
6）重复步骤3）至步骤5），
步骤5）中，计算相位漂移与相位误差/>和/>具体如下：
根据平衡矩阵计算相位漂移与相位误差/>和/>，计算公式如下
，
相位漂移量：
，
Alice端相位误差量记为：
，
Bob端相位误差量记为：
，
以上计算结果单位均为弧度RAD，
步骤5）中，修正Alice端和Bob端的四个相位具体如下：
Alice端当前四相位为，那么修正后四相位/>为
，
Bob端当前四相位为，那么修正后四相位/>为
，
所述相位漂移量既可以在Alice端修正，也可以在Bob端修正。
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